Работа тепловых двигателей

Какв тепловых двигателях происходит преобразование внутренней энергии в механическую?

С тепловыми двигателями учащихся знакомят впервые в VIII классе, когда рассматривают общий принцип работы тепловых двигателей (совершение полезной работы за счет внутренней энергии рабочего тела), изучают двигатель внутреннего сгорания и паровую турбину, а также вводят понятие о КПД тепловых двигателей. Основное внимание уделяют конструкции и принципам работы названных выше двигателей. В курсе X класса рассматривают энергетические процессы, происходящие при работе тепловых двигателей.

При изучении нового материала повторяют то, что уже извест­но учащимся, в частности понятие теплового двигателя как такого устройства, в котором внутренняя энергия топлива превращается в механическую. Тепловой двигатель совершает полезную работу за счет внутренней энергии при переходе тепла от более горячего тела к более холодному. Делают вывод: любой тепловой двигатель имеет три части: нагреватель, рабочее тело и холодильник.

Рабочее тело (им может быть пар, газ или специальная смесь) получает некоторое количество теплоты () от нагревателя и расширяется. При расширении рабочее тело совершает работу. При сжатии рабочее тело отдает количество теплоты () холодильнику. Температуру холодильника и нагревателя поддерживают постоянной, при этом температура нагревателя всегда выше температуры холодильника (). Это следует из того, что двигатель совершает полезную работу только в том случае, когда работа расширения больше работы сжатия, а она больше тогда, когда расширение происходит при более высокой температуре, чем сжатие.

Рисунок 6. – Цикл Карно

Необходимо подвести школьников к пониманию того, что, двигатель должен работать циклично. После этого целесообразно рассмотреть принцип работы идеальной тепловой машины Карно, рабочим телом в которой является идеальный газ. При расширении газа во время его контакта с нагревателем температуру поддерживают постоянной, во время сжатия и контакта с холодильником температура также постоянна, следовательно, расширение и сжатие происходят изотермически (на рисунке 6 соответственно изотермы 1 – 2и 3 – 4 ). Но если температура расширения больше температуры сжатия, то необходимо произвести процессы, при которых температура меняется от до , а затем от до . В принципе это осуществимо при изобарном, изохорном или адиабатном процессах. Наиболее целесообразным является адиабатный процесс (процесс, происходящий без теплообмена), так как именно это условие является условием максимальной работы (на рисунке 6 2 – 3и 4 – 1– адиабаты). Полезная работа численно равна площади заштрихованной фигуры.

Важным является вопрос о коэффициенте полезного действия. Как известно, КПД – это отношение полезной работы к количеству теплоты, полученному от нагревателя:

.

Задача повышения КПД – одна из основных технических задач. Она связана прежде всего с созданием материалов, имеющих достаточную прочность при высоких температурах. В настоящее время температурные границы рабочего тела составляют 303 – 853 К. КПД идеальной машины, работающей по циклу Карно, при таких значениях температур составляет 65%. Однако с учетом потерь КПД примерно равен 40%. Необходимо, чтобы десятиклассники поняли принципиальное отличие решения задачи повышения КПД тепловых двигателей от решения этой же задачи применительно к механическим и электрическим двигателям. КПД последних стремятся приблизить к 100%, а КПД тепловых двигателей к КПД идеальной машины Карно, работающей при тех же температурах холодильника и нагревателя. Поэтому повышение КПД тепловых двигателей связано с повышением температуры нагревателя и понижением температуры холодильника.

В заключение изучения рассматриваемой темы обращают внимание учащихся на значение развития теплоэнергетики для народного хозяйства, в частности рассказывают о той экономии, которую дает стране развитие теплоэлектроцентралей.

КАЛЕНДАРНО-ТЕМАТИЧЕСКОЕ ПЛАНИРОВАНИЕ УЧЕБНОГО ПЛАНА ТЕМЫ «ОСНОВЫ ТЕРМОДИНАМИКИ» НА ОСНОВЕ ПРОБЛЕМНОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБУЧЕНИЯ

Организация отдельных уроков по теме «Основы термодинамики»

(10 класс)

Тема урока: «Термодинамическая система. Термодинамическое равновесие. Внутренняя энергия. Внутренняя энергия идеального одноатомного газа»

Ведущая идея урока: Термодинамика – раздел физики, изучающий возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Изменение внутренней энергии всегда происходит за счет энергии других тел: при теплопередаче – за счет изменения внутренней энергии; при совершении работы – за счет механической энергии.

Задачи:

1. Образовательная –обеспечить формирование понятия «термодинамика», «внутренняя энергия»; усвоение формулы для расчета внутренней энергии идеального газа.

2. Развивающая – развитие способов мыслительной деятельности (анализ, сравнение, обобщение), развитие речи (владение физическими понятиями, терминами), развитие познавательного интереса учащихся.

3. Воспитательная – формирование научного мировоззрения, воспитание устойчивого интереса к предмету, положительного отношения к знаниям.

Тип урока: изучение нового материала.

План урока:

	Организационный момент	1 мин
	Изучение нового материала	30 мин
	Закрепление изученного материала	10 мин
	Итоги урока	3 мин
	Задание на дом	1 мин

Деятельность учителя

Деятельность ученика

I. Организационный момент. Поприветствовать учащихся, проверить готовность класса к уроку, отметить отсутствующих, наличие мела, чистоту доски и кабинета. II. Изучение нового материала. Термодинамика – раздел физики, изучающий возможности использования внутренней энергии тел для совершения механической работы. Термодинамика – макроскопическая теория, так как изучает тепловые свойства макроскопических тел без учета их молекулярного строения. Переход к понятию: внутренняя энергия. Из курса физики 8 класса мы знаем, что внутренняя энергия тела – сумма кинетической энергии хаотического теплового движения частиц (атомов или молекул) тела и потенциальной энергии их взаимодействия. Вывод формулы для расчета внутренней энергии идеального газа. Т.к. En у идеального газа пренебрежимо мала по сравнению с Ek, внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией теплового движения частиц. - средняя кинетическая энергия одного атома. В силу хаотичности движения на каждое из трех направлений движения, или степень свободы, по оси X, У, Z приходится одинаковая энергия . i – число степеней свободы – число возможных независимых направлений движения молекулы. U – внутренняя энергия. N – число атомов в массе газа. - разделив и умножив это выражение на , получаем: или - внутренняя энергия данной массы идеального газа зависит лишь от одного макроскопического параметра – термодинамической температуры. Используя уравнение Менделеева-Клапейрона, можно формулу для расчета внутренней энергии представить в виде: i = 3 – для идеального газа; i = 5 – для двухатомного газа, поэтому – формулы для внутренней энергии идеального газа. Способы изменения внутренней энергии идеального газа. Ставим перед учащимися проблемный в о п р о с: как можно изменить внутреннюю энергию тела? Чтобы ответить на него, выполняем ряд опытов: 1)нагреваем небольшое количество воды в пробирке, закрытой плотно пробкой; 2)потерли ладони друг о друга, монетку прижали к столу и подвигали по столу. Мерой теплопередачи является количество теплоты Q. Количество теплоты, получаемое телом – энергия, передаваемая теле извне в результате теплообмена. За счет изменения внутренней энергии при теплообмене не может совершаться работа. Закрепление изученного материала. Беседа по вопросам: 1. Сформулируйте определение внутренней энергии тела. Зависит ли внутренняя энергия тела от его движения и положения относительно других тел? 2. От какого макроскопического параметра зависит внутренняя энергия идеального газа? Как изменяется температура тела, если оно отдает энергии больше, чем получает? 3. Сформулируйте определение числа степеней свободы. 4. Как можно изменить внутреннюю энергию жидкости, газа? Итог урока. Учитель обобщает: 1. Внутренняя энергия идеального газа определяется кинетической энергией хаотического движения молекул и записывается в виде формулы 2. Изменение внутренней энергии всегда происходит за счет энергии других тел: · при теплопередаче – за счет изменения внутренней энергии; · при совершении работы – за счет механической энергии. Домашнее задание.§54; № 1, 2.

Записывают в тетрадь определения. Вспоминают понятие. Записывают вывод формулы. Учащиеся делают в ы в о д: внутреннюю энергию тела можно изменить двумя способами: 1) совершением механической работы; 2) путем теплопередачи.